MILP design and optimization of a 5th generation district heating and cooling network for a positive energy district in Milan

Carbon emissions related to heating and cooling of the building sector can be addressed by District Heating and Cooling (DHC) grids that consist of heat pumps operating on renewable electricity. Technological advancements in DHC systems have made them the center of attention for being an integral part of Positive Energy Districts (PED). However, the current European standards that deal with the design of heat pump systems neglect the interdependencies present between the different components of the system as they are designed and sized sequentially. Furthermore, temperature levels of thermal energy storage (TES) in the system are neglected that does not allow realistic modeling of COP behavior leading to inefficient sizing of heat pumps. In this study, we configure and optimize a 5th generation DHC network that distributes heat at ultra-low temperatures, reducing grid losses and insulation requirements. The system consists of an ultra-low temperature TES along with centralized and distributed water source heat pumps, powered by photovoltaic electricity. Multi-Integer Linear Programming (MILP) is used to develop a mathematical model for the ultra-low temperature DHC network which has a demand-driven algorithm-based control to minimize the overall electricity consumption. MILP is opted as both operation and design of all the components of the DHC grid can be carried out simultaneously while considering the interdependencies and system dynamics. The model is able to simulate different temperature levels in the TES which enables us to account for different operational efficiencies (COP’s) of the heat pumps. The model is then used to simulate a DHC network for a district, the design of which takes inspiration from a real project. To check the robustness of the model we run scenario analysis by observing the effect of climate change on the operation of the DHC network.

Le emissioni di carbonio legate al riscaldamento e al raffreddamento del settore edile possono essere contenute attraverso reti di teleriscaldamento e raffreddamento (DHC) costituite da pompe di calore che funzionano con elettricità rinnovabile. I progressi tecnologici nei sistemi DHC li hanno resi idonei per essere parte integrante dei Distretti a Bilancio Energetico Positivo (PED). Tuttavia le attuali normative europee che si occupano della progettazione degli impianti a pompa di calore trascurano le interdipendenze presenti tra i diversi componenti dell'impianto in quanto progettati e dimensionati sequenzialmente. Inoltre, vengono trascurati i livelli di temperatura dell'accumulo di energia termica (TES) nel sistema che non consentono una modellazione realistica del comportamento del COP che può portare a un dimensionamento non ottimale delle pompe di calore. In questo studio, configuriamo e ottimizziamo una rete DHC di quinta generazione che distribuisce il calore a temperature estremamente basse, riducendo le perdite di rete e i requisiti di isolamento. Il sistema è costituito da un TES a bassissima temperatura insieme a pompe di calore ad acqua centralizzate e distribuite, alimentate da elettricità fotovoltaica. La programmazione lineare intera mista (MILP) viene utilizzata per sviluppare un modello matematico per la rete DHC a temperatura ultra bassa che ha un controllo basato su algoritmo guidato dalla domanda per minimizzare il consumo di energia elettrica. Si è optato per MILP poiché sia il funzionamento che la progettazione di tutti i componenti della rete DHC possono essere eseguiti contemporaneamente tenendo conto delle interdipendenze e delle dinamiche del sistema. Il modello è in grado di simulare diversi livelli di temperatura nel TES, il che ci consente di tenere conto delle diverse efficienze operative (COP) delle pompe di calore. Il modello viene quindi utilizzato per simulare una rete DHC per un quartiere, il cui disegno prende spunto da un progetto reale. Per verificare la robustezza del modello eseguiamo l'analisi per scenari osservando l'effetto del cambiamento climatico sul funzionamento della rete DHC.